ダウンズ法のソースを表示

'''ダウンズ法'''とは、溶融させた[[塩化ナトリウム]]を「Downs cell」と呼ばれる特殊な装置において[[電気分解]]することで金属[[ナトリウム]]を商業生産する、電気化学的な手法である<ref>{{Cite| last = JAKES CLOYD DOWNS| title = ELECTROLYTIC PROCESS AND CELL, Patent 1501756| accessdate = 2011-5-28| date = 1924-07-15| url = http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=1501756.PN.&OS=PN/1501756&RS=PN/1501756}}</ref>。[[溶融塩電解]]の工業利用の一形態である。

[[1922年]]に[[アメリカ合衆国]]の化学者ジェームズ・クロイド・ダウンズ（James Cloyd Downs, [[1885年]]–[[1957年]])により開発され、[[1924年]]に[[特許]]を取得した<ref>Downs, James Cloyd. [http://pdfpiw.uspto.gov/.piw?Docid=01501756 "Electrolytic process and cell,"] U.S. Patent no. 1,501,756 (filed: 1922 August 18 ; issued: 1924 July 15).</ref><ref>{{cite book |last1=Hardie |first1=D. W. F. |title=Electrolytic Manufacture of Chemicals from Salt |date=1959 |publisher=Oxford University Press |location=Oxford, England |pages=14, 65}}</ref>。

== 方法 ==
[[Image:DownsCellSchematic.svg|thumb|300px|right|ダウンズ法の概略図]]
ダウンズ法では、陽極には[[炭素|炭素電極]]が、陰極には[[鉄|鉄電極]]が、電解質には加熱されて溶融した液体の塩化ナトリウムが用いられる。塩化ナトリウムの結晶は電気伝導性が低いが、溶融すると[[電離]]し、[[電流]]を伝導できるようになる。[[塩化カルシウム]]もしくは[[塩化バリウム]]、[[塩化ストロンチウム]]、[[フッ化ナトリウム]]<ref>
{{cite web| url = http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=6669836.PN.&OS=PN/6669836&RS=PN/6669836| title = Molten salt electrolysis of alkali metals, U.S. Patent 6669836| last = Keppler, Stephen John; Messing, Thomas A. Proulx, Kevin Bernard; Jain, Davendra Kumar| date = 2001-05-18| accessdate = 2011-5-28}}
</ref>を電解質に添加することで、電解質の溶融温度を低下させることができる（[[凝固点降下]]）。塩化ナトリウムの融点は通常801℃であるが、これらの塩を添加することによって600℃でも溶融状態を維持することができる。

陽極では以下の半反応が起こる。
: <chem>2Cl^- -> Cl2\ + 2\mathit{e}^-</chem>

また、陰極では以下の半反応が起こる。
: <chem>2Na^+\ + 2\mathit{e}^- -> 2Na</chem>
したがって、全体としては以下の反応となる。
: <chem>2Na^+\ + 2Cl^- -> 2Na\ + Cl2</chem>

カルシウムの酸化還元電位は2.87 [[エレクトロンボルト|eV]]であり、ナトリウムの酸化還元電位である2.71 eVよりも高いため、この反応系においてナトリウムイオンはカルシウムイオンよりも優先して還元され、金属ナトリウムを形成する<ref name="corrdr">{{cite web|url=http://www.corrosion-doctors.org/Electrowinning/Sodium.htm|title=Sodium Production by Electrowinning|accessdate=2011-5-28|publisher=corrosion-doctors.org}}</ref>。電解質からナトリウムが消費し尽くされてカルシウムのみになると、陽極側の生成物として金属カルシウムが生成されてしまう（それは金属カルシウムの製法でもある）。

電気分解によって生成される金属ナトリウムおよび[[塩素]]ガスは共に電解質より低比重であるため、溶融している電解質の液面に浮上してくる。細孔の開けられた鉄製の邪魔板を陽極と陰極との間に配置することで、金属ナトリウムと塩素ガスはお互いに接触せずに別々の部屋へと誘導される（右図参照）<ref name="pauling">Pauling, Linus, ''General Chemistry'', 1970 ed. Dover Publications, pp 539-540</ref>。

塩化ナトリウムの電気分解の理論電圧は4.07Vである(陰極のナトリウムの反応に2.71V、陽極の塩素の反応に1.36V、合計4.07V)。<ref>{{Cite web |url=https://garyturnerscience.com/Units%203%20and%204%20Chemistry/Unit%203%204.%20Std%20electrode%20pots/Electrolysis.pdf |title=ELECTROLYSIS |access-date=2024.06.03}}</ref>実際の電気分解では十分な電流密度を得るために倍の8Vほどで行われる。この過電圧により発生する熱エネルギーはNaCl - CaCl<sub>2</sub>[[溶融塩]]の溶液状態を維持するために使われる<ref>{{ Cite book | 和書 | author =  | authorlink =  | year =  | month =  | title = 電気化学便覧第3版　第26章 | publisher = 丸善株式会社 | isbn =  }}</ref>。フランスのMSSA社とアメリカの[[デュポン|DuPount]]社がこの方法で金属ナトリウムを生産している<ref>{{cite web | title = Sodium Metal from France | publisher = U.S. International Trade Commission | url = http://www.usitc.gov/publications/701_731/pub4045.pdf | accessdate = 2012-08-04}}</ref>。

ダウンズ法は副生成物として塩素を産出するが、この方法で生産される塩素の量は他の方法によって商業的に生産されている塩素の内のほんのわずかでしかない<ref name="pauling" />。

== 関連項目 ==

* [[溶融塩電解]]
* [[カストナー法]]

== 出典 ==
{{reflist}}

== 外部リンク ==
* [http://www.metauxspeciaux.fr/en/1-Home MSSA社HP]
** [http://www2.dupont.com/Reactive_Metals/en_US/index.html DuPount社Reactive Metals部門HP]{{リンク切れ|date=2023-1}}
{{電気分解}}
{{DEFAULTSORT:たうんすほう}}
[[Category:人名反応]]
[[Category:無機反応]]
[[Category:化学工業]]
[[Category:ナトリウム]]
[[Category:電気分解]]